En esta investigación se desarrolló un análisis del doblado en chapas metálicas de acero inoxidable AISI 304 bajo la aplicación de un haz láser. El trabajo de laboratorio realizado para la parte experimental fue llevado a cabo en las dependencias del Laboratorio de Aplicaciones Tecnológicas e Industriales del Láser (LATIL-UC). Dentro de las investigaciones previas desarrolladas en el tema, la configuración típicamente más estudiada es el doblado de placas rectangulares con caminos lineales de irradiación. En particular, para este trabajo se estudió una configuración alternativa, donde se doblaron distintas chapas curvas con geometrías de sector circular y sector de anillo, bajo escaneos curvos concéntricos, y con parámetros constantes de láser para todos los casos, de manera de observar y cuantificar las características específicas de su forma final y compararlas con la configuración típicamente estudiada, de acuerdo al número de irradiaciones láser, tamaño y características específicas de éstas.
De los resultados obtenidos en el trabajo de laboratorio, se concluye lo siguiente:
Todas las chapas conformadas bajo la configuración de β=90° fueron irradiadas desde una hasta diez veces y toman valores de ángulo de doblado promedio que van en un rango desde 0,5° hasta 4,5°. Sin embargo a medida que la cantidad de irradiaciones es mayor, tal incremento va siendo cada vez menor. Para las chapas curvas, la tasa de aumento de doblado es más baja que en las chapas rectangulares y los ángulos alcanzados por éstas, en general, son mayores.
Bajo la misma configuración, se ha medido el grosor final de las distintas chapas sobre el camino del láser, donde se observa que en todos los casos sus valores finales son mayores que los iniciales (0,6 mm) y van en aumento a medida que la cantidad de irradiaciones es mayor, con valores promedio que van desde los 0,603 mm hasta los 0,619 mm, no observando diferencias notorias de acuerdo al tipo de geometría de chapa.
En relación al efecto del tamaño de placas, se analizaron configuraciones con distintos valores de β, dobladas con seis irradiaciones láser. Del
comportamiento de éstas se observó que en el caso de las curvas, a medida que aumenta el valor del segmento angular en el rango que va desde 0° hasta 45° ocurrió un incremento del ángulo de doblado desde 0,55° hasta los 3,10° aproximadamente y cuando β continuó aumentando hasta el valor máximo de análisis (β=180°) el ángulo disminuyó progresivamente hasta valores promedios de 1,56° y 2,40° para las chapas circulares y de anillo respectivamente. Mientras tanto, en las chapas rectangulares, a medida que la dimensión del recorrido láser aumentó, el ángulo de doblado promedio aumentó continuamente en un rango que va desde 0,26° hasta 3,15° en los casos extremos. Cabe destacar, que para ciertas chapas curvas y rectangulares con β=5°, se dio un fenómeno particular donde el doblado de éstas se realiza en sentido contrario desde donde proviene el láser, mientras que el resto de las placas conformadas lo hicieron en el sentido de origen de haz.
En particular, para chapas curvas con segmento angular de 180°, se analizó el fenómeno del doblado cuando varía su radio interno, de tal manera de ver cómo afecta el láser a medida que la cercanía con el borde es mayor. En todos los casos, el ángulo de doblado aumenta a medida que el radio interno es mayor, en valores promedios que van desde los 1,28° a los 3,07°. En cuanto al análisis numérico, basado en un modelo de tipo termomecánico acoplado, discretizado y resuelto bajo el contexto del método de elementos finitos (MEF), se ha validado al comparar los valores que entrega con respecto a los obtenidos en la parte experimental. Para ello, fue muy importante establecer de manera correcta los parámetros de funcionamiento del láser, como lo son: su diámetro, la velocidad de escaneo, la potencia y las pérdidas de energía en la llegada del haz láser hacia la chapa; y las propiedades tanto mecánicas como térmicas del material que son dependientes de la temperatura, junto con el coeficiente de absorción del grafito sobre las chapas. Una vez validada la simulación, se desplegó la información más relevante, con el objetivo de hacer un análisis más completo, involucrando resultados térmicos y mecánicos que se
dan en las distintas chapas, y no solo limitando el análisis a las características geométricas de las chapas medidas que se han podido medir en la parte experimental. Un aspecto importante a destacar es que el modelo termomecánico planteado no considera es el fenómeno de fusión, por lo que las condiciones experimentales de potencia y velocidad del láser fueron escogidas de tal manera que las temperaturas en ningún momento sobrepasen este límite, y por ende, las simulaciones reflejen lo ocurrido en el laboratorio, lo cual, al observar la temperatura máxima alcanzada, se cumple y por lo tanto las condiciones experimentales van de acuerdo con el margen de aceptación de la simulación. En cuanto a los resultados térmicos se observó que los máximos alcanzados se dan en la superficie en contacto directo con el láser, específicamente en el borde final de su recorrido, alcanzando valores cercanos a los 770°C, valor que se mantiene prácticamente constante en cada irradiación láser, ya que el tiempo destinado al enfriamiento es tal que luego de cada escaneo, se vuelve a condiciones cercanas a las iniciales. Producto del evidente gradiente de temperatura que se dio en el grosor para todos los casos analizados, se puede indicar que las chapas conformadas se doblan bajo el mecanismo de gradiente térmico, el cual es el ideal producto de su controlabilidad evitando de paso que se den fenómenos inestables como el pandeo.
En base a los resultados obtenidos en la simulación de los casos experimentales, uno que entrega información geométrica ligada a la forma final de la chapa es el desplazamiento vertical en sus distintos puntos situados en el borde extremo no empotrado, valor que de manera general, aumenta cada vez menos cuando mayor es la cantidad de irradiaciones, observándose las siguientes situaciones a destacar:
A medida que las dimensiones de las placas curvas son mayores (mayor β), el desplazamiento de la chapa en el borde de análisis posee valores distintos en sus distintos puntos. En particular, para las chapas rectangulares, cuando la longitud del camino de irradiación láser es mayor se presenta el fenómeno reportado como efecto de borde, el cual se produce debido al desplazamiento irregular del borde extremo no empotrado.
En las chapas de geometría curva con β=180°, se generó un fenómeno denominado recuperación elástica, el cual se visualiza en el momento que se deja de aplicar el láser, donde el desplazamiento vertical disminuye su valor continuamente a lo largo del tiempo de enfriamiento. Para las chapas con mayor valor de radio interno, este fenómeno fue cada vez menor. Al variar la dimensión β de las chapas, los resultados de temperatura, deformación plástica efectiva, presión y tensión de von Mises, siempre alcanzaron sus valores más importantes en el camino del láser, por lo tanto la distribución de estas variables es distinta de acuerdo al recorrido seguido por éste (curvo o lineal). Un aspecto importante a destacar es que los valores de tensión de von Mises son siempre menores en las chapas con escaneos lineales con respecto a las de escaneo curvo, sin embargo, los valores de deformación plástica alcanzados fueron similares en todos los casos. Esta evidencia trae como consecuencia que la forma del camino de irradiación genera distintos comportamientos en la relación tensión-deformación, la cual es mayor en los caminos lineales de irradiación, debido a que ante menores valores de tensión ocurren similares valores de deformación plástica en la comparación con los recorridos curvos. El efecto entre deformación plástica y ángulo de doblado en las chapas rectangulares indica que entre mayor es la cantidad de deformación plástica, mayores ángulos de doblado se alcanzan, sin embargo tal situación no se cumple en chapas con caminos de irradiación curvos, lo cual se debe a que la deformación en este tipo de caminos no se traduce en mayor grado de doblado, producto de las formas complejas que se generan en comparación a doblados lineales. El largo del recorrido láser es otro factor que generó resultados distintos de tensión y deformación en las distintas chapas, ya que entre más corto es el recorrido láser, menores fueron sus valores. La distribución geométrica del material de la chapa también influye en el conformado de las distintas chapas, ya cuando menos es el material que rodea el camino de irradiación, efectos como los de recuperación elástica se reducen y los ángulos de doblado alcanzados son mayores. Por lo tanto es posible observar una serie de fenómenos distintos en la comparación entre el doblado lineal con el curvo y se valida la hipótesis planteada.
Los aspectos que se han estudiado amplían el conocimiento en el área de la manufactura láser, ya que las formas que se generan al doblar las chapas con un determinado camino de irradiación no son predecibles, debido a su complejidad y poder caracterizarlas usando métodos de simulación numérica resulta ventajoso en el sentido de observar y cuantificar los diversos fenómenos que resultan dificultosos de medir experimentalmente.
Trabajos futuros.
Un trabajo importante a futuro, es poder ampliar el espectro de situaciones a simular, mediante un modelo termomecánico apto para ello, que pueda abarcar casos de conformado láser en situaciones de alta potencia, baja velocidad y de distinto tipo de materiales, a través de la incorporación del fenómeno de cambio de fase, viscoelasticidad y anisotropía. Otro aspecto que sería interesante desarrollar es la generación de un método capaz de lograr una determinada forma final mediante la combinación adecuada de escaneos con distintas caminos y parámetros de irradiación, para lo cual se hace necesario comprender a cabalidad los mecanismos y fenómenos que gobiernan el conformado láser en sus distintas situaciones. En cuanto a la parte experimental, sería útil tener instrumentación que permita medir una mayor cantidad de variables a lo largo tiempo de conformado, tales como la temperatura y la evolución del doblado.
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ANEXO A: FUNDAMENTOS DEL LÁSER.
El término LASER es un acrónimo que hace referencia al fenómeno de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). El término radiación hace referencia a “radiación electromagnética” de la cual la luz es un caso especial. La luz láser es diferente de la luz ordinaria producto de que la primera posee fotones de la misma frecuencia, longitud de onda y fase. Mientras la luz común y corriente es multidireccional, el haz láser es altamente unidireccional. Por lo tanto, posee alta densidad de potencia y mejor características en su focalización (Gautam et al, 2015).
En un principio sólo se conocían los fenómenos de absorción y emisión espontánea, definidos a continuación.
Absorción: En estado normal, los
átomos y moléculas se encuentran en un estado denominado estado fundamental o de energía inferior, cuando el material absorbe energía pasa a un nivel energético mayor, denominado estado excitado (Jimeno, 2012).
Emisión espontánea: Ocurre cuando un electrón en un nivel de energía superior cae espontáneamente a un nivel de energía inferior, ante lo cual emite un fotón, en una dirección no definida.
El concepto de emisión estimulada fue introducido por Einstein en el año 1917, y corresponde a uno de los tres fenómenos requeridos para la producción de un haz láser de alta potencia:
Inversión de población: De acuerdo a la ley de Boltzmann, en estado de equilibrio, los niveles de energía más altos son los menos poblados de electrones y su cantidad decrece de forma exponencial a medida que se aumenta el nivel energético. Para que ocurra el
fenómeno de inversión de población se debe sacar del equilibrio al sistema, lo cual se genera mediante la inversión de población, necesitando con un aporte externo de energía.
Emisión estimulada: Ocurre cuando un fotón incidente estimula la caída de nivel de un electrón, con lo cual se emite un segundo fotón con la misma frecuencia, dirección y pase que el fotón incidente, dando origen a una corriente de fotones.
Amplificación: Producto de las características del fotón generado, el cual se acopla constructivamente al fotón incidente, genera un incremento en su amplitud. Tal fenómeno es realizado en una cavidad resonante, la cual consiste en dos espejos paralelos al eje de tal cavidad, entre los cuales está ubicado el medio activo. Uno de los espejos tiene una reflectividad cercana al 100%, mientras que el otro espejo posee transmisión, la que permite emerger el haz de salida. El esquema completo de la generación de la irradiación láser se muestra en la Figura A.1 (Dahotre y Harimkar, 2008).
Figura A.1. Etapas del proceso de amplificación: a) estado no excitado, b) bombeo óptico que produce el fenómeno de absorción, c) inicio de la emisión estimulada, d) amplificación por emisión estimulada, y e) amplificación debido a la reflexión repetida
desde los espejos y la salida del haz láser desde uno de los espejos.
A continuación, se describen las propiedades más importantes de la luz láser y que la diferencian de cualquier otro tipo de emisiones electromagnéticas.
Monocromaticidad: El haz láser se compone de sólo una longitud de onda, lo cual se produce debido a la característica del proceso de emisión espontánea, en la cual los electrones que emiten los fotones provienen de los mismos niveles energéticos.
Coherencia: La coherencia de la radiación láser hace referencia a que las ondas electromagnéticas producidas tengan la misma fase, lo cual hace que el frente de ondas producido se amplifique generando la máxima energía posible. La coherencia se da en el
espacio y en el tiempo, tal como se observa en la Figura A.2 (Dahotre y Harimkar, 2008).
Figura A.2. Esquema ilustrativo del concepto de coherencia: a) luz coherente espacial y temporalmente, y b) luz incoherente espacial y temporalmente.